JP2000357048A - 力フィードバック入出力装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 力フィードバック入出力装置を通常のパソコ
ン用マウスと同じように操作して、システムの操作性及
び臨場感を向上すること。 【解決手段】 力フィードバック入出力装置の移動検出
機構を、全方向移動機構、例えば３つのオムニホイルで
接地した機構とする。オムニホイル（回転方向には推進
力を伝え、その垂直方向は摩擦の小さい車輪）各々をモ
ータで駆動し、又、その回転を回転検出器で計測する。
回転検出器の出力によりマウス移動の並進・回転速度を
演算し、情報処理装置に送信し、情報処理装置はマウス
に呈示する並進、回転力を演算し、入出力装置に送信し
入出力装置のオムニホイルを駆動して、入出力装置を操
作するユーザに並進、回転力を呈示する。モータ、オム
ニホイル２組とフリーローラとで全方向移動機構を構成
しても良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、情報処理装置に使
用する力フィードバック入出力装置に関し、特に通常の
パソコン（パーソナルコンピュータ）用マウスと同様に
操作ができるようにした力フィードバック入出力装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】力フィードバック機能を有する入出力装
置は、シミュレーション操作において生じる物体の接触
時に生じるリアクションをフィードバックとして受信し
た際、これを入出力装置でユーザに提示することによ
り、感性により合致した感覚で入力操作するように臨場
感を持たせ、操作を効率よくおこなうものである。表示
画面に描いた仮想世界を基に、ロボットのオンライン，
オフライン教示を効率良く行うために、又、ゲーム，シ
ミュレーション動作等の入力操作を臨場感向上のため等
に使用される。

【０００３】力フィードバック機能を有する従来の入出
力装置として（１）ジョイスティック方式、（２）マウ
ス方式がある。図９のジョイスティック例は、Microsof
t Side Winder（商標）フォースフィードバックプロ
（Force Feedback Pro，製品名）の外観写真である。
ジョイスティックはジョイスティックを前後左右に倒し
て２自由度の信号を発生させる入出力装置である。従っ
て、ジョイスティックへの力フィードバックは前後左右
の動き２自由度もしくは前後左右のどちらかの動きの１
自由度となる。

【０００４】図１０のマウス例はControl Advancement
s社のVirtual Reality Mouse（製品名）の外観写真で
ある。１０１はマウス、１０２は力発生リンク、１０３
は制御部等を収納するケース、１０４はケース開口であ
る。マウスの球（ボール）回転のＸ，Ｙ軸方向回転成分
が計測され、回転計測量は力発生リンク１０１を介して
ケース１０３内の制御部に伝達され、マウス１０１の移
動量が制御部１０３で演算され、情報処理装置に送信さ
れる。情報処理装置から力フィードバック信号がある場
合、前記制御部の駆動装置は力発生リンク１０２を介し
てマウスの球をＸ，Ｙ軸方向に回転駆動させて、マウス
を操作するユーザに力フィードバックを呈示するもので
ある。

【０００５】

【発明の解決しようとする課題】従来の前記ジョイステ
ィックでは、力フィードバックをジョイスティックに出
力できる自由度は２以下に限定される。また、パソコン
等の情報処理装置の入力装置としてはマウスが一般的に
使用されているので、通常のマウスと構造が著しく異な
るジョイスティックの操作に不慣れなユーザが多いとい
う難点がある。

【０００６】又、従来の前記マウス１０１も並進２自由
度（Ｘ軸，Ｙ軸方向）構造なので、前記ジョイスティッ
クと同様、マウスの力フィードバックは２自由度以下で
ある。また、操作中に前記マウス１０１を力発生リンク
１０２から切り離すことができないため、その操作範囲
が力発生リンク１０２の可動範囲に制限されるという難
点がある。

【０００７】情報処理装置によるシミュレーション等の
入力操作及び操作者への力リアクションは操作の自由度
が多く、実環境に近い感覚のものが好都合である。本発
明は、力フィードバック入出力装置の自由度を並進、回
転の３自由度も可能にし、通常のマウスと同様簡単に操
作できる入出力装置を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、入出力装置の移動検出機構に接地面にお
いて円周方向には確実に推進力を伝え、その垂直方向つ
まり回転軸方向には力が伝わらない摩擦零に近い車輪を
使用した全方向移動機構を使用し、全方向移動機構の各
車輪に回転検出手段、駆動装置とを連結し、回転検出手
段の出力を基に並進、回転の変位量を算出し、情報処理
装置に送信し、又情報処理装置から受信した力リアクシ
ョン信号の並進、回転成分信号を基に駆動装置で各車輪
を駆動し、操作者に並進、回転の３自由度の力フィード
バックを呈示させるものである。

【０００９】前記車輪は横滑り機構を有するバレル型コ
ロからなる複数のオムニホイルであり、バレル型コロは
オムニホイルの周辺に配置される。前記車輪を２個のオ
ムニホイルと１個のフリーローラで構成して２自由度の
力フィードバックを提示させるようにしても良い。

【００１０】

【発明の実施の態様】以下、図面を参照して本発明を実
施例により説明する。図１は本発明に係る力フィードバ
ック入出力装置の一実施例を示す概略図である。図１の
実施例は全方向移動機構として３個のオムニホイル（0m
ni-Wheel）を用いた例である。１はマウス本体、２ａ，
２ｂ，２ｃはオムニホイル、３はギア付きモータ（出力
軸に歯車減速機を内蔵したモータ、以下単にモータ）
を、４ａ，４ｂ，４ｃはスイッチ、５はコントローラ、
６は接続ケーブル、７は入出力装置で、８は演算処理装
置であるコンピュータ、８ａは表示装置、８ｂはＣＰ
Ｕ、８はキーボード、１０はマウス本体１から発信する
ロータリエンコーダ信号とスイッチ４ａ，４ｂ，４ｃの
スイッチ情報とを含む信号、１１はマウス本体に帰還さ
れるフィードバック（モータ駆動）信号、１２はコント
ローラ５とコンピュータ８との間のシリアル通信信号で
ある。

【００１１】コンピュータ（パソコン）８とコントロー
ラ５との間は接続ケーブルで接続され、RS232CやUSB
（汎用直列バス、Universal Serial Bus）等のシリア
ル通信が行われる。コントローラ５からマウス本体１の
モータ３ａ，３ｂ，３ｃにモータの駆動電圧１１が送ら
れ、マウス本体からコントローラ５には各オムニホイル
のロータリエンコーダ信号とスイッチ４ａ，４ｂ，４ｃ
のON-OFFスイッチ情報がハイスピード・リンク・システ
ム（HLS，Hi-speed Link System，ステップテクニカ
社製品）を通して送られる。

【００１２】オムニホイルとは、接地面において円周方
向には確実に推進力を伝え、その垂直方向つまり回転軸
方向には力が伝わらない摩擦零に近い車輪である。図２
にオムニホイル例の分解斜視図を示す。２１，２１ａは
回転軸方向の抵抗を減らすために、円周上に配置された
バレル型コロである。２２，２２ａはフレーム、２３は
オムニホイルの回転軸で、バレル型コロ２１，２１ａの
回転軸を辺とする正多角形面の中心と直角に交差してい
る。図２のオムニホイルは回転軸２３に対して６０度ず
らし一体化した２層の車輪構造のものであるが、３個の
バレル型コロ２１で１層構造のものでも良い。また、バ
レル型コロは３個以上でもよい。

【００１３】オムニホイル２ａ，２ｂ，２ｃは、各々の
回転軸２３でモータ３ａ，３ｂ，３ｃ内蔵の歯車減速機
にそれぞれ結合し、各モータにより減速された所定速度
で、高トルクに駆動される。各回転軸が水平であれば６
個のバレル型コロのどれかが接地し、接地点においてオ
ムニホイルは円周方向のモータ駆動力を環境側に与え
る。回転軸方向に外力を加えようとしてもコロが空転す
ることによりオムニホイルは回転軸方向に自由に移動す
るので力はゼロとなる。つまり外部の力で抵抗少なく動
かすことができる。モータ３ａ，３ｂ，３ｃの回転変位
量はギア減速器と反対側に設けられたロータリエンコー
ダなどの検出器で計測される。

【００１４】力フィードバックマウス（以下マウスと呼
ぶ）は３個のオムニホイルで３点接地する。接地点での
滑りがないものとすると、マウスの基準点の並進及び回
転速度（または微小変位量）と３個のモータの回転速度
との間に線形関係が成立する。この関係を利用して計測
された各モータの回転速度からマウスの基準点の並進及
び回転速度を算出することにより、情報処理システムは
情報処理装置の表示画面においてマウスでカーソルなど
の操作を行うことができる。

【００１５】一方、３個のオムニホイルの回転力とマウ
スの基準点における並進力（Ｘ，Ｙ軸方向２成分）及び
回転力（θ方向成分）との間にも線形関数が成り立つ。
この線形変換を利用して情報処理装置が演算した力リア
クションの各成分から各モータの必要トルクを算出し、
このトルクで各モータを駆動して、力リアクション成分
に対応した並進力（Ｘ，Ｙ軸方向２成分）及び回転力
（θ方向成分）をマウスでユーザに呈示することができ
る。

【００１６】図３は図１のマウス本体を裏側から見た構
造を示した図である。３１はモータ軸に取り付けられた
スリット円盤、３２は発光ダイオード（ＬＥＤ）、３３
はフォトセルで、これらでロータリエンコーダを構成し
ている。３４はモータ支持具で、３５はHLSサテライト
用ＩＣ、３６マウス本体フレーム、３７はスイッチ４
ａ，４ｂ，４ｃのON-OFFスイッチ情報信号、３８は各オ
ムニホイル系の検出UP／DOWN回転パルス信号（ロータリ
エンコーダ信号）である。

【００１７】オムニホイル３個２ａ，２ｂ，２ｃはお互
いに１２０度の角度をなすように配置され、各オムニホ
イルは各モータの歯車減速機を介してモータ軸２３に結
合されている。オムニホイル、モータ、ロータリエンコ
ーダの回転系はロータリエンコーダを中心側に、オムニ
ホイルを外側に配置している。モータの入力端子にはコ
ントローラ５から送られる駆動電圧１１が印加される。

【００１８】図４はコントローラ５の機能図を示してい
る。５１はマイクロコンピュータ（マイコン）、５２は
HLSセンター用ＩＣ、５３はD/Aコンバータ、５４は各モ
ータ３ａ，３ｂ，３ｃそれぞれに駆動電圧を供給する３
個の増幅器からなる駆動増幅部で、５５はオムニホイル
回転信号及びスイッチ情報信号である。

【００１９】コントローラ５はマウス本体１内に内蔵し
ても良いが、マウスを軽くして操作性を向上するために
別体で構成される。接続ケーブル６（又はシリアル通信
信号１２を伝送する接続ケーブル）は可撓性なので、本
発明のマウスは通常のパーソナルコンピュータ用マウス
と同じように、可動範囲に制限されることなく操作でき
る。

【００２０】発光ダイオード（LED）３２の出力光はモ
ータ速度で回転するスリット円盤３１のスリットを通過
させて、モータの回転に比例したUPパルス（正方向パル
ス）とDOWNパルス（負方向パルス）をフォトセル３３の
出力側に生成する。このUP/DOWNパルスはHLSサテライト
用IC３４内に組み込まれたUP/DOWNカウンタによりカウ
ントされ、各オムニホイルの回転変位量信号が生成され
る。

【００２１】マウスのスイッチ４ａ，４ｂ，４ｃは通常
のマウスと同じくクリック，ダブルクリック，ドラッグ
操作によるメニュー選択，位置選択，操作等のON-OFF情
報を生成し、HLSサテライト用IC３５に入力され、これ
らのスイッチ情報信号と回転パルスのカウント信号（回
転変位量信号）とはHLSサテライト用IC３４で１チャン
ネルの直列信号１０にまとめられてコントローラ５に送
信される。（なお、本明細書の図面で同じ参照数字で引
用したものは同じものか、相当するものを表わす。）

【００２２】HLSのセンター用IC５２はサテライト用IC
３５から送られてくるシリアル情報１０を復元し、スイ
ッチ情報とオムニホイルの回転変位量とを得て、マイク
ロコンピュータ５１に送る。次に、マイクロコンピュー
タ５１は次の式（１）の１次式を基に各オムニホイルの
回転変位量からマウス基準点の位置と姿勢（回転）の変
位量を算出し、スイッチ情報と併せてシリアル通信信号
１２によりコンピュータ８に送信する。

【００２３】

【数１】

【００２４】式（１）のΔＸ，ΔＹ，Δθはマウス基準
点の並進及び回転の移動量、Δθ１，Δθ２，Δθ３は
オムニホイル２ｃ，２ｂ，２ａの回転変位量、ｒはオム
ニホイルの半径、Ｒはマウスの基準点からの接地点まで
の距離である（各量の定義は駆動系を上から見た図５参
照。同図のオムニホイルブロック内の矢印はオムニホイ
ルの上側の回転方向を示している。）。

【００２５】なお、図２のオムニホイル構造の場合、オ
ムニホイルの接地点は内側コロ、外側コロと接地点が変
動することになるが、式（１）のマウスの基準点からの
接地点までの距離Ｒはその平均値とする。これにより小
さな誤差は発生するが、人間の感覚は余り敏感でなく、
また表示装置を見ながらユーザが入力し、力フィードバ
ックをユーザに呈示するシステムには実用上支障はな
い。

【００２６】コンピュータ８の表示画面８ａの仮想空間
でスイッチ情報信号３７により選択された部品はマウス
１の並進、回転操作量に対応した変位量ΔＸ，ΔＹ，Δ
θに対応して移動される。コンピュータ８はシミュレー
ションの変動の結果生じるリアクションも実環境に対応
してシミュレート演算し、出力する。

【００２７】マイクロコンピュータ（マイコン）５１は
シリアルI/O通信信号１２を通じてコンピュータ８から
ユーザに力感覚を提示するための力ベクトル信号と回転
力信号を受け取り、次の式（２）の１次式によりこれら
の信号量からで各モータ３ａ，３ｂ，３ｃのトルクを算
出する。ただし、T１，T２，T３はモータ３ｃ，３ｂ，
２ａのトルク、Fx，Fy，Ｍはマウスに発生させるＸ軸，
Ｙ軸方向成分の力と回転力、ｒはオムニホイルの半径、
Ｒはマウス基準点から接地点までの距離（図２のオムニ
ホイル構造を使用する場合は前記と同様内側、外側接地
点の平均値）である。次に、マイクロコンピュータ５１
は前記各モータのトルク出力に対応する駆動電圧１１を
演算し、D/Aコンバータ５３、駆動増幅部５４を通して
マウス本体上の各モータ３ａ，３ｂ，３ｃを駆動して、
マウスで並進方向（力ベクトル方向）及び回転方向の力
感覚をユーザに提示する。

【００２８】

【数２】

【００２９】図６は本発明の他の実施例で、図３の全方
向移動機構のモータ、オムニホイル３組をモータ、オム
ニホイルを２組とし、３個目をフリーローラに置き換え
た２自由度（Ｘ，Ｙ方向）の力フィードバック入出力装
置例の一部である。

【００３０】図６はこの実施例のマウス本体構造を裏側
からみ見た図である。２ｘ，２ｙはオムニホイル、３
ｘ，３ｙはギア付きモータ（以下モータ）で、オムニホ
イル２ｘ，２ｙの回転軸とモータ内蔵の歯車減速機を介
して結合し、２ｆはフリーローラで、６１はマウス本
体、６２はオムニホイル、フリーローラの接地点、６３
はオムニホイルの回転方向である。フリーローラ２ｆ
は、全方向回転体で、例えば球状回転体をボールベアリ
ング等で支持し、取り付けたものである。また、フリー
ローラとして受動キャスターを使用してもよい。

【００３１】図６中では、オムニホイルと反対側の各モ
ータ軸に取り付けられたロータリエンコーダ（スリット
円盤，発光ダイオード，フォトセル），モータ支持具及
びHLSサテライト用ＩＣ等は省略している。情報処理装
置８とコントローラ５（第４図）における信号処理を含
めて信号伝送系は図３、図４と同様なものでよい。フリ
ーローラ２ｆは２個のオムニホイルとで３点接地してマ
ウスを水平に保ち移動操作しやすくするものである。マ
ウスの並進・回転変位量及び各オムニホイルの回転力は
式（１）、（２）と同様に運動学的関係から求めること
ができる。

【００３２】図６の実施例では、２個のオムニホイル・
モータの駆動系の回転軸が互いに直角になるように配置
されている。この配置によると、例えばマウスの移動量
のＸ軸方向成分、Ｙ軸方向成分をそれぞれのオムニホイ
ル２ｘ，２ｙの回転量で検出でき、情報処理装置から伝
送された力リアクションのＸ軸成分，Ｙ軸成分信号を受
信し、この成分信号に対応してモータ３ｘ，３ｙを駆動
することにより、オムニホイル２ｘ，２ｙに回転力を与
え、力フィードバックをユーザに呈示する。

【００３３】オムニホイルの配置はその運動学的関係が
特異になる（自由度がかさなる）場合以外は自由に選択
でき、小型化の要請など他の評価基準に基づき変更でき
る。力フィードバック入出力装置の全方向移動機構とし
て以上に述べたオムニホイルを用いる方法以外に、モー
タを組み込んだ能動的キャスター、２つの半球の組、４
自由度拘束された球等を用いても良い。

【００３４】次に、ロボットのコンピュータ教示に本発
明の入出力装置を適用した例を説明する。コンピュータ
により処理されるシステムは、マウスによりロボットの
位置姿勢を操作し、壁との干渉がある場合、反力をフィ
ードバックする操作システムである。図７はコンピュー
タの表示装置に表示された仮想環境を表している。７１
はロボットの把持機構、７２は物体、７３は床である。
コンピュータ側のシミュレータはマウスからのスイッチ
情報及び変位量情報に基づきロボットの位置（把持機構
７１）を管理する。

【００３５】又、壁、床は弾性体でできているものと仮
定し、それらの距離を常に計算し、壁、床への食い込み
が生じた場合、食い込み量に比例した反力をコンピュー
タは演算し、マウスに出力する。この操作システムで
は、ロボットが自由空間にあるときは食い込みがゼロな
ので、力のフィードバックはなく軽いタッチで、ロボッ
トの位置（Ｘ，Ｙ）と姿勢（θ）を同時に操作できる。
一方ロボットと壁、床が接触すると、反力が生成され、
あたかもロボットが壁にぶっつかっている感覚が得られ
る。

【００３６】ロボットが把持している物体７２は直方体
なので、ロボットが受ける反力は図７のＦＡ，ＦＢの合
力として容易に計算できる。図７中で直方体と床は線分
で接しているので、Ｙ軸周りの回転を入力すると同じ軸
の周の回転力がフィードバックされる。この機能によ
り、拘束を利用してロボットの位置姿勢を決めることが
でき、操作者による細かい位置調整が不要になる効果を
有する。

【００３７】更に、パソコンゲーム機に本発明の入出力
装置を適用した例を説明する。テニスゲーム、滑降回転
スキーゲーム、カーレースゲーム等、表示画面の物体を
並進、回転操作の３自由度で入力操作し、画面上の物体
が接触した際の力リアクション成分も並進力、回転力で
あるゲームでは好都合である。

【００３８】図８はテニスゲーム機例を模式的に表した
図である。８１はゲーム機本体、８２は表示装置、８３
ａ，８３ｂはプレイヤーが操作する本発明の３自由度マ
ウス、８４はテニスコート、８５はテニスボール、８６
ａ，８６ｂはプレイヤーのラケットである。例えば、テ
ニスボール８５が来る位置に合わせてプレーヤがマウス
８３ａを並進操作して、ラケット８６ａの中心位置に当
たる位置にまでラケット８６ａ移動（ΔＸ，ΔＹ）さ
せ、マウス８３ａを回転して、ラケット８６ａを回転
（Δθ）させ、テニスボール８５を打つ。そのときの打
撃音及び反力をゲーム機本体にあるパソコンで演算し、
スピーカで音を発生させ、マウス８３ａに回転方向の反
力（Ｍ）等の力を呈示させると、プレイヤーには臨場感
をよりよく感じさせることができる。

【００３９】本発明の前記適用例では、仮想空間で発生
する力リアクションが反力である場合で、従って入出力
装置への力フィードバックにより駆動される駆動装置の
トルクはオムニホイルの回転力と逆でユーザに抵抗力感
覚を呈示している。力リアクションがオムニホイルと同
方向である（ヨットの追い風、水流のリアクション）場
合は力フィードバックにより駆動される駆動装置のトル
クはオムニホイルの回転力と同方向でユーザに軽くなる
力感覚を呈示する。

【００４０】

【発明の効果】全方向移動機構を用いた力提示方式によ
り、従来不可能であった次のような入出力装置が実現で
きる。 （１）並進２自由度、回転１自由度、合計３自由度の力
フィードバックができる。 （２）パソコン用マウスと同様の操作方法を持つ力フィ
ードバックマウスができる。 （３）パソコン用マウスと同様に接地面を離して操作す
ることにより、操作範囲が拡大できる。

【００４１】又、本発明の入出力装置を操作システムに
適用した場合には、次のような効果を奏する。 （１）仮想空間モデルを用いた産業用ロボットの作業・
動作教示に利用すると、ロボットと作業環境の接触等に
よって発生する力を操作者にフィードバックすることに
より、実環境と同じ感覚で操作性できるので、操作効率
が向上する。 （２）ゲーム機のシミュレーション画面の操作におい
て、シミュレートの画面に生じる衝突力・接触力等を操
作者に力フィードバックを提示できるので、臨場感を向
上させことができる。

【図面の簡単な説明】

【図 １】本発明の力フィードバック入出力装置例の概
略図である。

【図 ２】図１のオムニホイル例を説明する図面であ
る。

【図 ３】図１のマウス本体の構造を裏面から見た図で
ある。

【図 ４】コントローラの機能を説明する図である。

【図 ５】全方向移動機構車輪の駆動系に関する量を定
義する図である。

【図 ６】本発明の実施例を説明する図である。

【図 ７】本発明をロボット操作に適用した例である。

【図 ８】本発明をテニスゲーム機に適用した例であ
る。

【図 ９】従来の力フィードバックジョイスチック例を
説明する写真である。

【図 １０】従来の力フィードバックマウス例を説明す
る写真である。

【符号の説明】

１ マウス本体 ２ａ〜２ｃ オムニホイル ３ａ〜３ｃ ギア付きモータ ５ コントローラ ６ 接続ケーブル ７ 入出力装置 ８ コンピュータ ８ａ 表示装置 ３１ スリット円盤 ３２ 発光ダイオード（LED） ３３ フォトセル ２ｘ、２ｙ オムニホイル ２ｆ フリーローラ ３ｘ、３ｙ ギア付きモータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高瀬 國克 茨城県つくば市東２丁目11番12 Ｆターム(参考） 5B087 AA09 AB12 BB02 BB05 BB12 BB21 DD03

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入出力装置本体を接地面において円周方
   向には確実に推進力を伝え、その垂直方向つまり回転軸
   方向には力が伝わらない摩擦零に近い車輪を使用した全
   方向移動機構と、 前記全方向移動機構の各車輪駆動系に連結した車輪回転
   検出手段と、 前記全方向移動機構の各車輪駆動系に連結した駆動装置
   と、 前記車輪回転検出手段により検出された各車輪の回転を
   入出力装置の並進移動量と回転移動量とに変換し、情報
   処理装置に伝送し、情報処理装置からの並進力と回転力
   とを前記各車輪の駆動力に変換し、各車輪の駆動装置に
   駆動電圧を供給するコントローラとを具備することを特
   徴とする力フィードバック入出力装置。
2. 【請求項２】 請求項１の全方向移動機構の車輪がバレ
   ル型コロを外周に配置した複数のオムニホイルであるこ
   とを特徴とする請求項１の力フィードバック入出力装
   置。
3. 【請求項３】 請求項１の全方向移動機構の車輪が２個
   のオムニホイルと１個のフリーローラであることを特徴
   とする請求項１の入出力装置。
4. 【請求項４】 請求項３のオムニホイルがバレル型コロ
   を外周に配置した車輪であることを特徴とする請求項３
   の力フィードバック入出力装置。